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系統識別號 U0002-0308201613480000
中文論文名稱 基於軟體定義網路之品質感知的影像串流路由方法
英文論文名稱 Quality Aware Routing for Video Streaming over SDN
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 鄭惟駿
研究生英文姓名 Wei-Chun CHENG
學號 603470088
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-07-11
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-李維聰
委員-衛信文
委員-朱國志
委員-吳庭育
中文關鍵字 軟體定義網路  網路負載平衡  服務品質 
英文關鍵字 Software-Defined Networking  Quality of Service  Traffic management 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 年來隨著網際網路的快速發展,越來越多的網路應用逐漸出現,尤其是多媒體網路服務的需求大量的成長。提供多媒體網路服務,需要較高的網路頻寬傳送大量的封包,封包大量的傳輸這一塊遇到了許多的瓶頸,不是降低串流品質,不然就要花費更多的成本架設網路設備。但是,近年來由於軟體定義網路 (Software-Defined Networking ,SDN)的崛起,提供許多傳統網路沒有的概念,我們得到新的啟發。
其中Google的B4網路就是一個以SDN為架構的成功案例,過去Google的網路頻寬平均使用率僅約40%,代表有許多的寬頻被浪費掉,在運用了SDN 架構來重新打造內部資料中心後,Google的網路頻寬使用率提高到90%。而傳統網路使用率過低的原因在於,網路有尖峰時段和離峰時段,供應商會增加許多的設備來應付這些在尖峰時間所造成的問題,其餘的時間設備都是閒置的狀況,造成使用率過低。要解決這個問題可以利用SDN掌握整個網路狀態並以軟體寫下合適的控制規則。
因此在本論文中,我們針對如何在現有網路環境下保證串流品質並提高網路使用率的問題進行探討。在我們的構想當中,我們分為兩個部份來進行這個問題的改善。在第一個階段中,透過我們提出的路徑選擇法,能將符合我們設定的服務品質的路徑先挑選出來。接下來我們進入第二個階段,在本階段當中,我們在透過節點負載與路徑負載做為依據,避開高負載路徑分擔流量,來將最後我們要的路徑決定出來,透過這兩個步驟之後,我們將達到降低特定路徑負載過大的問題,解決了這個問題之後也意味著能夠提升整體網路的使用率,降低網路過多的浪費,這樣也能夠節省供應商在擴充時所增加的擴充成本,並且可以達到讓使用者有足夠的使用品質。
英文摘要 With the rapid development of network, Internet applications have become more and more popular, especially for multimedia services. Providing multimedia services needs large available network bandwidth to transmit large packets, but network bandwidth is limited and cannot fulfill the requirements of users always. In this case, the service providers need to decrease streaming quality or spend more cost to enhance network capacity. Obviously, these two methods are not good solutions for solving the problem.
In recent years, the concept of Software-Defined Networking(SDN) was proposed for solving the problems in tradition network architecture. A well-known successful case of SDN is that Google B4 Network, Google improved network bandwidth usage from 40% to 90% after applied SDN construction in its data center. In the past, the network bandwidth usage of Google data center is barely 40%; it means much bandwidth was wasted. One reason of low bandwidth usage is that Internet service provider would construct more and more network devices to deal with users’ requirements at peak time; but those devices are idle in off-peak time. Therefore, in this paper, we use SDN to control whole network state and formulate control rule with software to solve this problem.
We carry out two steps method to provide quality guaranteed video streaming and distribute network traffic to each qualified path to improve bandwidth usage in current network. First, according route chose algorithm we proposed, which can pick out route to conform to quality of setting. Second, according node load and route load, our method avoids high load routes to disperse flow, and decide the route which can be used to stream the video. Through these two steps, the system can decrease overload of specific route, it also represented the increase of whole network bandwidth usage. That is, the method can decrease waste of network bandwidth, reduce cost spend on the devices expansion, and guarantee that user can obtain sufficient service quality.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 動機與目的 2
1.3 論文章節架構 4
第二章 相關研究與背景資料 5
2.1 SDN 與傳統架構比較 5
2.2 Software-Defined Networking (SDN) 7
2.2.1 SDN Controller架構 8
2.2.2 常見SDN Controller 介紹 10
(1) Ryu SDN Framework 10
(2) NOX 與 POX 10
(3) Floodlight OpenFlow Controller 11
(4) The OpenDaylight Platform 12
2.3 OpenFlow 13
2.3.1 OpenFlow 架構 13
2.3.2 OpenFlow Switch 選擇 16
(1) 支援OpenFlow協議的 Switch 16
(2) Open vSwitch 16
(3) Mininet 17
2.4 服務品質 (Quality of Service ,Qos) 17
2.4.1 服務品質保證方法比較 18
2.4.2 達成影像串流服務品質保證 19
2.5 路徑演算法 20
2.5.1 最短路徑 21
2.5.2 K最短路徑 22
2.6 串流影像技術 22
2.6.1 Real Time Streaming Protocol(RTSP) 22
2.6.2 HTTP Streaming 24
第三章 多媒體串流傳輸路徑選擇機制 25
3.1 第一階段服務品質保證 26
3.2 第二階段路徑負載分配 28
3.2.1 方法一 : Probability based Selection ( PBS) 29
3.2.2 方法二 : Minimum Value First (MVF) 31
3.3 整體流程統合 33
第四章 模擬結果與效能分析 35
4.1 模擬內容 35
4.2 實驗I-驗證負載平衡 36
4.2.1 模擬環境與情境 36
4.2.2 數據與分析 38
4.3 實驗II-驗證負載變化適應能力 79
4.3.1 模擬環境與情境 79
4.3.2 數據與分析 80
4.4 實驗III-驗證服務品質保證 90
4.4.1 模擬環境與情境 90
4.4.2 數據與分析 91
4.5 實驗成果展示 100
4.6 主要貢獻 101
第五章 結論與未來展望 102
參考文獻 103

圖目錄

圖2.1 傳統網路架構與SDN網路架構差異 6
圖2.2 軟體定義網路架構 7
圖2.3 SDN Control 架構圖 9
圖2.4 OpenFlow 網路架構圖 14
圖2.5 比較有無最佳化的調整 18
圖2.6 找最短路徑及其最短路徑樹 21
圖3.1 第一階段服務品質保證流程圖 27
圖3.2 第二階段PBS流程圖 30
圖3.3 第二階段MVF流程圖 32
圖3.4 系統架構 33
圖3.5 系統簡易流程圖 34
圖4.1 以Mininet建立之環境 36
圖4.2 模擬環境各連線網路狀況 37
圖4.3 OSPF同時提供4條服務-遺失率 39
圖4.4 OSPF同時提供4條服務-吞吐量 39
圖4.5 OSPF同時提供5條服務-遺失率 40
圖4.6 OSPF同時提供5條服務-吞吐量 41
圖4.7 OSPF同時提供6條服務-遺失率 42
圖4.8 OSPF同時提供6條服務-吞吐量 42
圖4.9 OSPF同時提供7條服務-遺失率 43
圖4.10 OSPF同時提供7條服務-吞吐量 44
圖4.11 OSPF同時提供8條服務-遺失率 45
圖4.12 OSPF同時提供8條服務-吞吐量 45
圖4.13 OSPF同時提供9條服務-遺失率 46
圖4.14 OSPF同時提供9條服務-吞吐量 47
圖4.15 PBS同時提供4條服務-遺失率 48
圖4.16 PBS同時提供4條服務-吞吐量 49
圖4.17 PBS同時提供5條服務-遺失率 50
圖4.18 PBS同時提供5條服務-吞吐量 50
圖4.19 PBS同時提供6條服務-遺失率 51
圖4.20 PBS同時提供6條服務-吞吐量 52
圖4.21 PBS同時提供7條服務-遺失率 53
圖4.22 PBS同時提供7條服務-吞吐量 53
圖4.23 PBS同時提供8條服務-遺失率 55
圖4.24 PBS同時提供8條服務-吞吐量 55
圖4.25 PBS同時提供9條服務-遺失率 56
圖4.26 PBS同時提供9條服務-吞吐量 56
圖4.27 MVF-公式一同時提供4條服務-遺失率 58
圖4.28 MVF-公式一同時提供4條服務-吞吐量 58
圖4.29 MVF-公式一同時提供5條服務-遺失率 59
圖4.30 MVF-公式一同時提供5條服務-吞吐量 60
圖4.31 MVF-公式一同時提供6條服務-遺失率 61
圖4.32 MVF-公式一同時提供6條服務-吞吐量 61
圖4.33 MVF-公式一同時提供7條服務-遺失率 62
圖4.34 MVF-公式一同時提供7條服務-吞吐量 63
圖4.35 MVF-公式一同時提供8條服務-遺失率 64
圖4.36 MVF-公式一同時提供8條服務-吞吐量 64
圖4.37 MVF-公式一同時提供9條服務-遺失率 65
圖4.38 MVF-公式一同時提供9條服務-吞吐量 66
圖4.39 MVF-公式二同時提供4條服務-遺失率 67
圖4.40 MVF-公式二同時提供4條服務-吞吐量 68
圖4.41 MVF-公式二同時提供5條服務-遺失率 69
圖4.42 MVF-公式二同時提供5條服務-吞吐量 69
圖4.43 MVF-公式二同時提供6條服務-遺失率 70
圖4.44 MVF-公式二同時提供6條服務-吞吐量 71
圖4.45 MVF-公式二同時提供7條服務-遺失率 72
圖4.46 MVF-公式二同時提供7條服務-吞吐量 72
圖4.47 MVF-公式二同時提供8條服務-遺失率 73
圖4.48 MVF-公式二同時提供8條服務-吞吐量 74
圖4.49 MVF-公式二同時提供9條服務-遺失率 75
圖4.50 MVF-公式二同時提供9條服務-吞吐量 75
圖4.51 實驗分析一平均遺失率比較圖 78
圖4.52 實驗分析一平均吞吐量比較圖 78
圖4.53 模擬環境各連線網路狀況 79
圖4.54 實驗分析二以OSPF協議之遺失率 81
圖4.55 實驗分析二以OSPF協議之吞吐量 81
圖4.56 實驗分析二以PBS之遺失率 83
圖4.57 實驗分析二以PBS之吞吐量 83
圖4.58 實驗分析二以MVF公式一之遺失率 85
圖4.59 實驗分析二以MVF公式一之吞吐量 85
圖4.60 實驗分析二以MVF公式二之遺失率 87
圖4.61 實驗分析二以MVF公式二之吞吐量 87
圖4.62 實驗二平均遺失率 88
圖4.63 實驗二平均吞吐量 89
圖4.64 實驗分析三網路拓樸環境 90
圖4.65 實驗三-OSPF路徑選擇 91
圖4.66 實驗三-OSPF遺失率 92
圖4.67 實驗三-OSPF吞吐量 93
圖4.68 實驗三–PBS路徑選擇 93
圖4.69 實驗三-PBS遺失率 94
圖4.70 實驗三-PBS吞吐量 95
圖4.71 實驗三- MVF公式一路徑選擇 95
圖4.72 實驗三-MVF公式一遺失率 96
圖4.73 實驗三-MVF公式一吞吐量 97
圖4.74 實驗三-MVF公式二路徑選擇 97
圖4.75 實驗三-MVF公式二遺失率 98
圖4.76 實驗三-MVF公式二吞吐量 99
圖4.77 OSPF同時4個用戶 100
圖4.78 OSPF同時5個用戶 100
圖4.79 本論文方法(擇一)同時5個用戶 101


表目錄

表2.1 Flow Table的欄位 15
表2.2 服務品質保證方法比較 19
表3.1 服務品質保證公式參數 26
表3.2 路徑負載參數 28
表4.1 OSPF同時提供4條服務 38
表4.2 OSPF同時提供5條服務 40
表4.3 OSPF同時提供6條服務 41
表4.4 OSPF同時提供7條服務 43
表4.5 OSPF同時提供8條服務 44
表4.6 OSPF同時提供9條服務 46
表4.7 PBS同時提供4條服務 48
表4.8 PBS同時提供5條服務 49
表4.9 PBS同時提供6條服務 50
表4.10 PBS同時提供7條服務 52
表4.11 PBS同時提供8條服務 54
表4.12 PBS同時提供9條服務 55
表4.13 MVF-公式一同時提供4條服務 57
表4.14 MVF-公式一同時提供5條服務 59
表4.15 MVF-公式一同時提供6條服務 60
表4.16 MVF-公式一同時提供7條服務 62
表4.17 MVF-公式一同時提供8條服務 63
表4.18 MVF-公式一同時提供9條服務 65
表4.19 MVF-公式二同時提供4條服務 67
表4.20 MVF-公式二同時提供5條服務 68
表4.21 MVF-公式二同時提供6條服務 70
表4.22 MVF-公式二同時提供7條服務 71
表4.23 MVF-公式二同時提供8條服務 73
表4.24 MVF-公式二同時提供9條服務 74
表4.25 實驗分析一平均遺失率和平均吞吐量統計 76
表4.26 實驗分析二以OSPF協議之數據 80
表4.27 實驗分析二以PBS之數據 82
表4.28 實驗分析二以MVF公式一之數據 84
表4.29 實驗分析二以MVF公式二之數據 86
表4.30 實驗二平均遺失率與吞吐量 88
表4.31 實驗三-OSPF數據 92
表4.32 實驗三-PBS數據 94
表4.33 實驗三-MVF公式一數據 96
表4.34 實驗三-MVF公式二數據 98

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